Questão 2: Defina:
(f) Equilíbrio térmico e lei zero da termodinâmica;
(f) Equilíbrio térmico e lei zero da termodinâmica;
Passo 1
Você pediu para definir duas coisas: (i) o que é equilíbrio térmico e (ii) o que diz a lei zero da termodinâmica. O enunciado não traz números ou figuras — é pedido conceitual — então vou explicar com definições precisas, com exemplos e com um jeitinho prático de usar isso numa prova.
Passo 2
Definição de equilíbrio térmico — ideia básica. Duas partes de um sistema (ou dois sistemas) estão em contato térmico quando podem trocar energia na forma de calor. Dizemos que há equilíbrio térmico entre dois sistemas
e
quando, estando em contato térmico, não ocorre trocas líquidas de calor entre eles. Em símbolos simples: se
é a taxa de calor de
para
, então em equilíbrio térmico
Na prática isso significa que as grandezas macroscópicas que caracterizam o estado térmico (principalmente a temperatura) permanecem constantes no tempo enquanto os sistemas ficam em contato.
Passo 3
O que é temperatura aqui e por que ela aparece na definição. Temperature é a propriedade que permite prever a direção do fluxo de calor: calor tende a ir de um corpo com maior temperatura para um com menor temperatura. Em muitos modelos simples (úteis na prova) podemos escrever uma lei de troca proporcional à diferença de temperatura, por exemplo a forma linear empírica
onde
é uma constante que depende de como os corpos estão acoplados. Dessa relação vemos imediatamente que a condição de equilíbrio térmico ocorre quando
pois aí
. Então uma forma prática e comum de dizer equilíbrio térmico é: dois sistemas estão em equilíbrio térmico quando têm a mesma temperatura.
Passo 4
Explicação didática do porquê essa definição é útil na prova. Em exercícios você muitas vezes precisa reconhecer estados em que não há transferência de calor (por exemplo, após bastante tempo de contato) e usar a igualdade de temperaturas para relacionar propriedades dos sistemas (como energia interna, pressão em casos apropriados etc.). A regra mental para a prova: se dois corpos em contato térmico têm temperaturas iguais, não há fluxo de calor entre eles; se as temperaturas diferem, haverá fluxo de calor na direção da maior para a menor.
Passo 5
Definição e enunciado da lei zero da termodinâmica. A lei zero afirma, em linguagem direta:
Essa é a propriedade transitiva do “estar em equilíbrio térmico”. Em símbolos: se
e
, então
.
Passo 6
Por que a lei zero é importante — interpretação e consequência prática. A lei zero garante que é possível atribuir um número (a temperatura) a cada sistema de modo consistente: dois sistemas em equilíbrio térmico têm o mesmo número. Isso permite construir termômetros: um corpo
serve de termômetro porque, ao equilibrar-se com
, ele assume a mesma temperatura
; depois, se
também equilibrar com
, a lei zero garante que
, ou seja, a leitura é consistente entre diferentes medições.
Passo 7
Exemplos concretos e como responder na prova. Exemplo 1: se você vê “um termômetro
marca
quando colocado em contato com
e marca
quando colocado com
”, pela lei zero conclui-se que
e
estão em equilíbrio térmico entre si, logo
. Exemplo 2 (modelo): dois blocos metálicos em contato térmico isolados do resto chegam em equilíbrio térmico quando suas temperaturas se igualam — nada mais de calor passa entre eles.
Passo 8
Limites e atenção para a prova. Diga explicitamente nas respostas de prova “sem troca líquida de calor” ou “mesma temperatura” para equilibrío térmico. Não confunda: equilíbrio térmico é só sobre calor/temperatura — pode não haver equilíbrio mecânico (forças) ou químico (troca de partículas). A lei zero é um postulado fundamental: não é algo que você deduz de outras leis, ela é usada para definir temperatura de maneira consistente.
Resposta
Equilíbrio térmico: Dois sistemas em contato térmico estão em equilíbrio térmico quando não há troca líquida de calor entre eles, o que equivale a dizer que possuem a mesma temperatura, i.e.,
e
.
Lei zero da termodinâmica: Se
está em equilíbrio térmico com
e
está em equilíbrio térmico com
, então
está em equilíbrio térmico com
; isso estabelece a transitividade do equilíbrio térmico e permite definir consistentemente a temperatura (
e
).